JPH09331035A - 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法 - Google Patents
誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法Info
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- JPH09331035A JPH09331035A JP8145423A JP14542396A JPH09331035A JP H09331035 A JPH09331035 A JP H09331035A JP 8145423 A JP8145423 A JP 8145423A JP 14542396 A JP14542396 A JP 14542396A JP H09331035 A JPH09331035 A JP H09331035A
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、高温通電での通電時間に伴うリー
ク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び信頼性
に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法を
提供することを目的としている。 【解決手段】 基板１上に下部電極４と誘電体薄膜５と
上部電極層６とが順次形成されて構成される誘電体薄膜
キャパシタ素子において、誘電体薄膜５が少なくともチ
タン及びストロンチウムを構成元素としランタンを含有
する酸化物材料から成ることを特徴とする誘電体薄膜キ
ャパシタ素子。
ク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び信頼性
に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法を
提供することを目的としている。 【解決手段】 基板１上に下部電極４と誘電体薄膜５と
上部電極層６とが順次形成されて構成される誘電体薄膜
キャパシタ素子において、誘電体薄膜５が少なくともチ
タン及びストロンチウムを構成元素としランタンを含有
する酸化物材料から成ることを特徴とする誘電体薄膜キ
ャパシタ素子。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ用キャパシ
タ、不揮発性メモリ素子等の電子部品に用いられる誘電
体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法に関するもので
ある。
タ、不揮発性メモリ素子等の電子部品に用いられる誘電
体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ＤＲＡＭの信号蓄積用キャパ
シタ、ＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Ci
rcuit）マイクロ波素子用キャパシタ等に代表されるＩ
Ｃ用の誘電体薄膜キャパシタの誘電体材料には、Ｔａ2
Ｏ5（五酸化タンタル）、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）、
及びＳｉＮ（窒化シリコン）が主に使用されてきた。し
かしながら、近年では、半導体技術の進歩による電子部
品の小型化や高集積化に伴い、キャパシタ面積の縮小化
のために誘電体膜の極薄膜化や３次元構造化が行われて
いる。このため、半導体素子の作製工程はますます複雑
化し、微細加工技術も限界に近づき、歩留まりや信頼性
等に問題を生じている。そこで、従来と比較して誘電率
が高い誘電体薄膜が必要となり、現在では、上記のＳｉ
Ｏ2やＳｉＮと比較して誘電率が高い、ＳｒＴｉＯ3（チ
タン酸ストロンチウム）や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3（チ
タン酸バリウムストロンチウム）等からなる酸化物高誘
電体薄膜の研究が盛んに進められている。
シタ、ＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Ci
rcuit）マイクロ波素子用キャパシタ等に代表されるＩ
Ｃ用の誘電体薄膜キャパシタの誘電体材料には、Ｔａ2
Ｏ5（五酸化タンタル）、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）、
及びＳｉＮ（窒化シリコン）が主に使用されてきた。し
かしながら、近年では、半導体技術の進歩による電子部
品の小型化や高集積化に伴い、キャパシタ面積の縮小化
のために誘電体膜の極薄膜化や３次元構造化が行われて
いる。このため、半導体素子の作製工程はますます複雑
化し、微細加工技術も限界に近づき、歩留まりや信頼性
等に問題を生じている。そこで、従来と比較して誘電率
が高い誘電体薄膜が必要となり、現在では、上記のＳｉ
Ｏ2やＳｉＮと比較して誘電率が高い、ＳｒＴｉＯ3（チ
タン酸ストロンチウム）や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3（チ
タン酸バリウムストロンチウム）等からなる酸化物高誘
電体薄膜の研究が盛んに進められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物
高誘電体薄膜を用いた誘電体薄膜キャパシタ素子では、
信頼性が大きな問題となっていた。即ち、通常の電子部
品の信頼性試験で行われるような、キャパシタをある一
定の温度に保持しある一定の電圧を印加する高温通電試
験において、十分に実用化が可能な特性が得られる高誘
電体薄膜キャパシタ素子は実現できていなかった。例え
ば、１００℃一定に保持し１０Ｖバイアス印加した場合
の高温通電試験においては、約１０時間程度でリーク電
流が３桁から４桁増大してしまい、キャパシタとしての
必要な絶縁性が保てないキャパシタの抵抗劣化という問
題が生じていた。
従来のＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物
高誘電体薄膜を用いた誘電体薄膜キャパシタ素子では、
信頼性が大きな問題となっていた。即ち、通常の電子部
品の信頼性試験で行われるような、キャパシタをある一
定の温度に保持しある一定の電圧を印加する高温通電試
験において、十分に実用化が可能な特性が得られる高誘
電体薄膜キャパシタ素子は実現できていなかった。例え
ば、１００℃一定に保持し１０Ｖバイアス印加した場合
の高温通電試験においては、約１０時間程度でリーク電
流が３桁から４桁増大してしまい、キャパシタとしての
必要な絶縁性が保てないキャパシタの抵抗劣化という問
題が生じていた。
【０００４】このようなキャパシタの抵抗劣化の原因と
して、下記のような理由によるものと考えられる。Ｓｒ
ＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物高誘電体薄
膜において、薄膜成長中にはその中に酸素の格子欠陥
（酸素空孔）が発生する。例えば、通常のＲＦスパッタ
法を用い基板温度３００〜４００℃でＳｒＴｉＯ3薄膜
や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3薄膜を形成した場合、その薄
膜中には酸素空孔が１〜１０ｍｏｌ％程度含まれる。
して、下記のような理由によるものと考えられる。Ｓｒ
ＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物高誘電体薄
膜において、薄膜成長中にはその中に酸素の格子欠陥
（酸素空孔）が発生する。例えば、通常のＲＦスパッタ
法を用い基板温度３００〜４００℃でＳｒＴｉＯ3薄膜
や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3薄膜を形成した場合、その薄
膜中には酸素空孔が１〜１０ｍｏｌ％程度含まれる。
【０００５】この酸素空孔を含んだ誘電体薄膜から成る
キャパシタ素子においては、酸素空孔が＋２価に帯電し
ているので、高温通電試験での温度加熱と電極への電圧
印加により、酸素空孔が陰極側に移動して行く。そし
て、陰極側に移動した酸素空孔は、陰極とＳｒＴｉＯ3
又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3とのポテンシャルバリアの
ために陰極に移動できず、陰極／誘電体薄膜界面でパイ
ルアップ（pile up）する。このとき、電気的補償のた
め陰極側から電子が注入される。また、一方陽極側から
は、新たに酸素空孔が導入されるが、この際電子をキャ
リアとして発生させる。これらの現象により、誘電体薄
膜全体としては、誘電率が時間とともに高くなり、リー
ク電流が上昇する。
キャパシタ素子においては、酸素空孔が＋２価に帯電し
ているので、高温通電試験での温度加熱と電極への電圧
印加により、酸素空孔が陰極側に移動して行く。そし
て、陰極側に移動した酸素空孔は、陰極とＳｒＴｉＯ3
又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3とのポテンシャルバリアの
ために陰極に移動できず、陰極／誘電体薄膜界面でパイ
ルアップ（pile up）する。このとき、電気的補償のた
め陰極側から電子が注入される。また、一方陽極側から
は、新たに酸素空孔が導入されるが、この際電子をキャ
リアとして発生させる。これらの現象により、誘電体薄
膜全体としては、誘電率が時間とともに高くなり、リー
ク電流が上昇する。
【０００６】これに対し、この酸素空孔を補償してキャ
パシタの劣化を防ぐため、成膜後に酸素雰囲気中で加熱
処理をする酸素アニール処理や、酸素プラズマ処理を施
すことが考えられる。しかしながら、これらの処理を行
っても、酸素が熱平衡的に安定に誘電体結晶格子に組み
込まれないため、誘電体薄膜の成膜後に酸素空孔を低減
することは困難なことである。
パシタの劣化を防ぐため、成膜後に酸素雰囲気中で加熱
処理をする酸素アニール処理や、酸素プラズマ処理を施
すことが考えられる。しかしながら、これらの処理を行
っても、酸素が熱平衡的に安定に誘電体結晶格子に組み
込まれないため、誘電体薄膜の成膜後に酸素空孔を低減
することは困難なことである。
【０００７】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであって、高温通電での通電時間に伴
うリーク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び
信頼性に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造
方法を提供することを目的としている。
めになされたものであって、高温通電での通電時間に伴
うリーク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び
信頼性に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造
方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部
電極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパ
シタにおいて、誘電体薄膜中に酸素空孔が存在し、その
誘電体薄膜が少なくともチタン及びストロンチウムを構
成元素としランタンを含有する酸化物材料から成ること
としている。
め、本発明では、基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部
電極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパ
シタにおいて、誘電体薄膜中に酸素空孔が存在し、その
誘電体薄膜が少なくともチタン及びストロンチウムを構
成元素としランタンを含有する酸化物材料から成ること
としている。
【０００９】基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部電極
層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパシタ
素子において、誘電体薄膜が少なくともチタン及びスト
ロンチウムを構成元素としランタンを含有する酸化物材
料から成ることとしている。
層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパシタ
素子において、誘電体薄膜が少なくともチタン及びスト
ロンチウムを構成元素としランタンを含有する酸化物材
料から成ることとしている。
【００１０】さらに、本発明では、上記の誘電体薄膜キ
ャパシタ素子において、誘電体薄膜のランタンの含有率
が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下であること
としている。
ャパシタ素子において、誘電体薄膜のランタンの含有率
が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下であること
としている。
【００１１】また、本発明では、上記の誘電体薄膜キャ
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下のランタンを含有するチタ
ン酸ストロンチウムから成ることとしている。
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下のランタンを含有するチタ
ン酸ストロンチウムから成ることとしている。
【００１２】また、本発明では、上記の誘電体薄膜キャ
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下のランタンを含有するチタ
ン酸バリウムストロンチウムから成ることとしている。
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下のランタンを含有するチタ
ン酸バリウムストロンチウムから成ることとしている。
【００１３】また、本発明では、基板上に下部電極と誘
電体薄膜と上部電極層とが順次形成されて構成される誘
電体薄膜キャパシタ素子の製造方法において、少なくと
もチタン、ストロンチウム、及びランタンを含有する酸
化物材料から成るスパッタターゲットを用いてスパッタ
法により前記誘電体薄膜を形成することとしている。
電体薄膜と上部電極層とが順次形成されて構成される誘
電体薄膜キャパシタ素子の製造方法において、少なくと
もチタン、ストロンチウム、及びランタンを含有する酸
化物材料から成るスパッタターゲットを用いてスパッタ
法により前記誘電体薄膜を形成することとしている。
【００１４】さらに、本発明では、上記の誘電体薄膜キ
ャパシタ素子の製造方法において、スパッタターゲット
としてチタン酸ストロンチウム粉体と酸化ランタン粉体
とが混合されて成り酸化ランタンの混合モル比が０．０
０５％以上０．１％以下のスパッタターゲットを用い
て、誘電体薄膜としてランタンを含有するチタン酸スト
ロンチウム薄膜を形成することとしている。
ャパシタ素子の製造方法において、スパッタターゲット
としてチタン酸ストロンチウム粉体と酸化ランタン粉体
とが混合されて成り酸化ランタンの混合モル比が０．０
０５％以上０．１％以下のスパッタターゲットを用い
て、誘電体薄膜としてランタンを含有するチタン酸スト
ロンチウム薄膜を形成することとしている。
【００１５】また、本発明では、上記の誘電体薄膜キャ
パシタ素子の製造方法において、スパッタターゲットと
してチタン酸バリウム粉体とチタン酸ストロンチウム粉
体と酸化ランタン粉体とが混合されて成り酸化ランタン
の混合モル比が０．００５％以上０．１５％以下のスパ
ッタターゲットを用いて、誘電体薄膜としてランタンを
含有するチタン酸バリウムストロンチウム薄膜を形成す
ることとしている。
パシタ素子の製造方法において、スパッタターゲットと
してチタン酸バリウム粉体とチタン酸ストロンチウム粉
体と酸化ランタン粉体とが混合されて成り酸化ランタン
の混合モル比が０．００５％以上０．１５％以下のスパ
ッタターゲットを用いて、誘電体薄膜としてランタンを
含有するチタン酸バリウムストロンチウム薄膜を形成す
ることとしている。
【００１６】本発明による作用は以下のように考えられ
る。上述したとおり、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔ
ｉＯ3等の酸化物高誘電体薄膜中に酸素空孔が存在する
場合、電子がキャリアとして導入され、薄膜中に含まれ
る酸素空孔が多いほど、その誘電体薄膜の比抵抗は低下
する。この酸素空孔は、酸素がＳｒ又はＢａと同時に結
晶の格子位置から抜けることにより発生し易いものであ
り、ショットキー型欠陥と呼ばれるものである。
る。上述したとおり、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔ
ｉＯ3等の酸化物高誘電体薄膜中に酸素空孔が存在する
場合、電子がキャリアとして導入され、薄膜中に含まれ
る酸素空孔が多いほど、その誘電体薄膜の比抵抗は低下
する。この酸素空孔は、酸素がＳｒ又はＢａと同時に結
晶の格子位置から抜けることにより発生し易いものであ
り、ショットキー型欠陥と呼ばれるものである。
【００１７】ＳｒＴｉＯ3薄膜又は（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔｉ
Ｏ3薄膜の成長中にＬａが添加されると、ＬａがＳｒと
置換され、このときＬａが＋３価であるのでＳｒ格子位
置では＋１価となり、電子のドナーとして働く。したが
って、例えば、ＳｒＴｉＯ3薄膜の場合、Ｌａがドープ
されたＳｒＴｉＯ3薄膜内部では、質量保存の法則と電
気的中性条件とから下記のような関係式が成立する。
Ｏ3薄膜の成長中にＬａが添加されると、ＬａがＳｒと
置換され、このときＬａが＋３価であるのでＳｒ格子位
置では＋１価となり、電子のドナーとして働く。したが
って、例えば、ＳｒＴｉＯ3薄膜の場合、Ｌａがドープ
されたＳｒＴｉＯ3薄膜内部では、質量保存の法則と電
気的中性条件とから下記のような関係式が成立する。
【００１８】ｎ＋２［ＶSr］＝ｐ＋２［ＶO］＋［Ｍh］ ここで、ｎは電子濃度、ｐは正孔濃度、［ＶSr］はＳｒ
の格子欠陥密度（−２価）、［ＶO］は酸素空孔濃度
（＋２価）、［Ｍh］はドープされたＬａの濃度を示し
ている。この関係式から、［Ｍh］が存在していること
により［ＶO］の生成が少なくてもよくなるので、Ｌａ
がＳｒ格子位置に置換されることにより、ショットキー
型欠陥による誘電体薄膜成長中の酸素空孔の発生を抑制
できることになる。ただし、Ｌａの濃度が高くなり過ぎ
ると、キャリア濃度が増え過ぎるために、逆に抵抗率が
減少することになるので、酸素空孔の発生を抑制するの
に必要なＬａの濃度の上限が存在するものである。ま
た、Ｌａは、原子価として安定に＋３価をとり、Ｔｉサ
イトに容易に置換されるので、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，
Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物誘電体薄膜中でドナーとして
働くものである。
の格子欠陥密度（−２価）、［ＶO］は酸素空孔濃度
（＋２価）、［Ｍh］はドープされたＬａの濃度を示し
ている。この関係式から、［Ｍh］が存在していること
により［ＶO］の生成が少なくてもよくなるので、Ｌａ
がＳｒ格子位置に置換されることにより、ショットキー
型欠陥による誘電体薄膜成長中の酸素空孔の発生を抑制
できることになる。ただし、Ｌａの濃度が高くなり過ぎ
ると、キャリア濃度が増え過ぎるために、逆に抵抗率が
減少することになるので、酸素空孔の発生を抑制するの
に必要なＬａの濃度の上限が存在するものである。ま
た、Ｌａは、原子価として安定に＋３価をとり、Ｔｉサ
イトに容易に置換されるので、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，
Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物誘電体薄膜中でドナーとして
働くものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態につ
いて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実
施形態により作製された誘電体薄膜キャパシタ素子の断
面構造を示す概略図である。図１に示すように、この誘
電体薄膜キャパシタ素子は、ｎ型シリコン基板１上に、
シリコン熱酸化膜２、Ｔｉ接着層３、Ｐｔ下部電極層
４、チタン及びストロンチウムを構成元素としランタン
を含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５、Ｐｔ上部
電極層６が、それぞれ順次形成されているものである。
いて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実
施形態により作製された誘電体薄膜キャパシタ素子の断
面構造を示す概略図である。図１に示すように、この誘
電体薄膜キャパシタ素子は、ｎ型シリコン基板１上に、
シリコン熱酸化膜２、Ｔｉ接着層３、Ｐｔ下部電極層
４、チタン及びストロンチウムを構成元素としランタン
を含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５、Ｐｔ上部
電極層６が、それぞれ順次形成されているものである。
【００２０】なお、図１に示した構造は、あくまでも、
後述する本実施形態による誘電体薄膜キャパシタ素子の
基本的な電気特性を評価するためのものであり、本発明
による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造がこれに限定さ
れるものでなく、実際には、ＤＲＡＭやＭＭＩＣ等のメ
モリ素子を初めとする様々なデバイスに適宜自由な設計
で用いられるものである。
後述する本実施形態による誘電体薄膜キャパシタ素子の
基本的な電気特性を評価するためのものであり、本発明
による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造がこれに限定さ
れるものでなく、実際には、ＤＲＡＭやＭＭＩＣ等のメ
モリ素子を初めとする様々なデバイスに適宜自由な設計
で用いられるものである。
【００２１】次いで、第１の実施形態の誘電体薄膜キャ
パシタ素子の作製について説明する。まず、ｎ型シリコ
ン基板１の表面に、絶縁層として、膜厚２００ｎｍのシ
リコン熱酸化膜２を熱酸化法により形成した。そして、
このシリコン熱酸化膜２上に膜厚３０ｎｍのＴａ接着層
３と、膜厚２００ｎｍのＰｔ下部電極層４とを、ＤＣス
パッタ法により順次形成した。
パシタ素子の作製について説明する。まず、ｎ型シリコ
ン基板１の表面に、絶縁層として、膜厚２００ｎｍのシ
リコン熱酸化膜２を熱酸化法により形成した。そして、
このシリコン熱酸化膜２上に膜厚３０ｎｍのＴａ接着層
３と、膜厚２００ｎｍのＰｔ下部電極層４とを、ＤＣス
パッタ法により順次形成した。
【００２２】次に、このようにして形成したＰｔ下部電
極層４上に、チタン及びストロンチウムを構成元素とし
ランタンを含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５を
ＲＦスパッタ法（高周波スパッタ法）を用いて形成し
た。本実施形態では、誘電体薄膜５として、ランタンの
含有量を変化させたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ
Ｏ3）薄膜（以下ＳＴＯ薄膜と記載する）を形成したも
のと、ランタンの含有量を変化させたチタン酸バリウム
ストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）薄膜（以下
ＢＳＴ薄膜と記載する）を形成したものとのそれぞれ複
数のサンプルを作製した。
極層４上に、チタン及びストロンチウムを構成元素とし
ランタンを含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５を
ＲＦスパッタ法（高周波スパッタ法）を用いて形成し
た。本実施形態では、誘電体薄膜５として、ランタンの
含有量を変化させたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ
Ｏ3）薄膜（以下ＳＴＯ薄膜と記載する）を形成したも
のと、ランタンの含有量を変化させたチタン酸バリウム
ストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）薄膜（以下
ＢＳＴ薄膜と記載する）を形成したものとのそれぞれ複
数のサンプルを作製した。
【００２３】ここで、誘電体薄膜５の形成について説明
する。スパッタターゲットとしては、酸化ランタン（Ｌ
ａ2Ｏ3）をＳＴＯ薄膜中又はＢＳＴＯ薄膜中のランタン
（Ｌａ）濃度が所望の濃度になるように、ＳｒＴｉＯ3
粉体又はＳｒＴｉＯ3粉体及びＢａＴｉＯ3粉体に十分に
混合し焼結させたものを用いた。すなわち、Ｌａの含有
量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形成する場合には、Ｓｒ
ＴｉＯ3粉体とＬａ2Ｏ3粉体とのモル比が１：ｘ／２０
０のモル比になるように混合し焼結させたものを用い
た。また、Ｌａの含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形
成する場合、ＢａＴｉＯ3粉体とＳｒＴｉＯ3粉体とＬａ
2Ｏ3粉体とのモル比が０．７：０．３：ｘ／２００のモ
ル比になるように混合し焼結させたものを用いた。
する。スパッタターゲットとしては、酸化ランタン（Ｌ
ａ2Ｏ3）をＳＴＯ薄膜中又はＢＳＴＯ薄膜中のランタン
（Ｌａ）濃度が所望の濃度になるように、ＳｒＴｉＯ3
粉体又はＳｒＴｉＯ3粉体及びＢａＴｉＯ3粉体に十分に
混合し焼結させたものを用いた。すなわち、Ｌａの含有
量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形成する場合には、Ｓｒ
ＴｉＯ3粉体とＬａ2Ｏ3粉体とのモル比が１：ｘ／２０
０のモル比になるように混合し焼結させたものを用い
た。また、Ｌａの含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形
成する場合、ＢａＴｉＯ3粉体とＳｒＴｉＯ3粉体とＬａ
2Ｏ3粉体とのモル比が０．７：０．３：ｘ／２００のモ
ル比になるように混合し焼結させたものを用いた。
【００２４】そして、誘電体薄膜５の成膜に先立って、
スパッタターゲット表面を成膜しようとする薄膜（ＳＴ
Ｏ薄膜又はＢＳＴ薄膜）の成膜条件と同条件で１０分間
予備スパッタした後、ＳＴＯ薄膜又はＢＳＴ薄膜の成膜
を行った。このときの、予備スパッタ及びＳＴＯ薄膜又
はＢＳＴ薄膜の成膜条件は、表１に示すように、スパッ
タＲＦパワー４．２５Ｗ／ｃｍ2、スパッタ圧力（成膜
室内ガス圧力）２Ｐａ、スパッタガスがＯ2というもの
であり、この条件で膜厚３００ｎｍのＳＴＯ薄膜又はＢ
ＳＴ薄膜を形成した。また、基板温度は、ＳＴＯ薄膜成
膜時には３２５℃、ＢＳＴ薄膜成膜時には３５０℃とし
た。
スパッタターゲット表面を成膜しようとする薄膜（ＳＴ
Ｏ薄膜又はＢＳＴ薄膜）の成膜条件と同条件で１０分間
予備スパッタした後、ＳＴＯ薄膜又はＢＳＴ薄膜の成膜
を行った。このときの、予備スパッタ及びＳＴＯ薄膜又
はＢＳＴ薄膜の成膜条件は、表１に示すように、スパッ
タＲＦパワー４．２５Ｗ／ｃｍ2、スパッタ圧力（成膜
室内ガス圧力）２Ｐａ、スパッタガスがＯ2というもの
であり、この条件で膜厚３００ｎｍのＳＴＯ薄膜又はＢ
ＳＴ薄膜を形成した。また、基板温度は、ＳＴＯ薄膜成
膜時には３２５℃、ＢＳＴ薄膜成膜時には３５０℃とし
た。
【００２５】なお、本実施形態においては、ＳＴＯ薄膜
についてはＬａの含有量を０，０．０１，０．０１５，
０．０２，０．０５，０．１０，０．１５，０．２，
０．３ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し、ＢＳ
Ｔ薄膜についてはＬａの含有量を０，０．０１，０．０
１５，０．０２，０．０５，０．１０，０．２，０．
３，Ｏ．４ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し
た。
についてはＬａの含有量を０，０．０１，０．０１５，
０．０２，０．０５，０．１０，０．１５，０．２，
０．３ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し、ＢＳ
Ｔ薄膜についてはＬａの含有量を０，０．０１，０．０
１５，０．０２，０．０５，０．１０，０．２，０．
３，Ｏ．４ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し
た。
【００２６】その後、本実施形態による誘電体薄膜キャ
パシタ素子の電気特性を評価するために、上記のそれぞ
れのサンプルの誘電体薄膜５上に、膜厚１００ｎｍのＰ
ｔ上部電極層６を、直径１００μｍの円形で電子ビーム
蒸着法により形成し、図１に示したような構造の誘電体
薄膜キャパシタ素子の作製を完了した。
パシタ素子の電気特性を評価するために、上記のそれぞ
れのサンプルの誘電体薄膜５上に、膜厚１００ｎｍのＰ
ｔ上部電極層６を、直径１００μｍの円形で電子ビーム
蒸着法により形成し、図１に示したような構造の誘電体
薄膜キャパシタ素子の作製を完了した。
【００２７】なお、基板、絶縁層、接着層、及び電極層
のそれぞれの材料、膜厚、形成方法等については、本発
明が本実施形態に限定されるものではない。
のそれぞれの材料、膜厚、形成方法等については、本発
明が本実施形態に限定されるものではない。
【００２８】上記のようにして作製した合計１８種類の
誘電体薄膜キャパシタ素子のサンプルについて、それぞ
れのＰｔ上部電極６とＰｔ下部電極４との間に１０Ｖの
直流電圧７を印加した状態で、温度を１００℃に保持し
て（高温通電）、それぞれのサンプルのリーク電流の時
間変化を測定した。そして、それぞれのＬａ含有量（Ｌ
ａドープ量）が異なるサンプルについて、高温通電開始
後にリーク電流が１桁増加するまでの時間（ｔｃｈ）を
測定した結果と、誘電率及び比抵抗を測定した結果と
を、それぞれ図２〜図７に示す。
誘電体薄膜キャパシタ素子のサンプルについて、それぞ
れのＰｔ上部電極６とＰｔ下部電極４との間に１０Ｖの
直流電圧７を印加した状態で、温度を１００℃に保持し
て（高温通電）、それぞれのサンプルのリーク電流の時
間変化を測定した。そして、それぞれのＬａ含有量（Ｌ
ａドープ量）が異なるサンプルについて、高温通電開始
後にリーク電流が１桁増加するまでの時間（ｔｃｈ）を
測定した結果と、誘電率及び比抵抗を測定した結果と
を、それぞれ図２〜図７に示す。
【００２９】これらのうち、ＬａドープＳＴＯ薄膜にお
けるｔｃｈのＬａドープ量依存性をグラフ化したものを
図２に、ＬａドープＳＴＯ薄膜における誘電率のＬａド
ープ量依存性をグラフ化したものを図３に、Ｌａドープ
ＳＴＯ薄膜における比抵抗のＬａドープ量依存性をグラ
フ化したものを図４にそれぞれ示す。図２から、Ｌａの
ドープ量（含有量）が０即ちＬａを含有しないもののｔ
ｃｈが５時間であるのと比較すると、Ｌａのドープ量
（含有量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下
ではｔｃｈが２００時間以上と優れた特性が得られ、特
にＬａのドープ量（含有量）が０．０１５ｍｏｌ％以上
０．１０ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが１０００時間以上と
非常に優れた特性が得られている。
けるｔｃｈのＬａドープ量依存性をグラフ化したものを
図２に、ＬａドープＳＴＯ薄膜における誘電率のＬａド
ープ量依存性をグラフ化したものを図３に、Ｌａドープ
ＳＴＯ薄膜における比抵抗のＬａドープ量依存性をグラ
フ化したものを図４にそれぞれ示す。図２から、Ｌａの
ドープ量（含有量）が０即ちＬａを含有しないもののｔ
ｃｈが５時間であるのと比較すると、Ｌａのドープ量
（含有量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下
ではｔｃｈが２００時間以上と優れた特性が得られ、特
にＬａのドープ量（含有量）が０．０１５ｍｏｌ％以上
０．１０ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが１０００時間以上と
非常に優れた特性が得られている。
【００３０】図３から、Ｌａのドープ量（含有量）が０
即ちＬａを含有しないものの誘電率が１２０であるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では誘電率が１１０以上と
十分な高誘電率を有する良好な特性が得られている。図
４から、Ｌａのドープ量（含有量）が０即ちＬａを含有
しないものの比抵抗が４．８×１０13Ωｃｍであるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では比抵抗が２．０×１０
14Ωｃｍ以上と優れた特性が得られ、特にＬａのドープ
量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．１５ｍｏｌ％
以下では比抵抗が４．０×１０14Ωｃｍ以上と非常に優
れた特性が得られている。
即ちＬａを含有しないものの誘電率が１２０であるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では誘電率が１１０以上と
十分な高誘電率を有する良好な特性が得られている。図
４から、Ｌａのドープ量（含有量）が０即ちＬａを含有
しないものの比抵抗が４．８×１０13Ωｃｍであるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では比抵抗が２．０×１０
14Ωｃｍ以上と優れた特性が得られ、特にＬａのドープ
量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．１５ｍｏｌ％
以下では比抵抗が４．０×１０14Ωｃｍ以上と非常に優
れた特性が得られている。
【００３１】また、ＬａドープＢＳＴ薄膜におけるｔｃ
ｈのＬａドープ量依存性をグラフ化したものを図５に、
ＬａドープＢＳＴ薄膜における誘電率のＬａドープ量依
存性をグラフ化したものを図６に、ＬａドープＢＳＴ薄
膜における比抵抗のＬａドープ量依存性をグラフ化した
ものを図７にそれぞれ示す。図５から、Ｌａのドープ量
（含有量）が０即ちＬａを含有しないもののｔｃｈが６
時間であるのと比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）
が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下ではｔｃｈ
が６００時間以上と優れた特性が得られ、特にＬａのド
ープ量（含有量）が０．０２ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ
％以下ではｔｃｈが１０００時間以上と非常に優れた特
性が得られている。
ｈのＬａドープ量依存性をグラフ化したものを図５に、
ＬａドープＢＳＴ薄膜における誘電率のＬａドープ量依
存性をグラフ化したものを図６に、ＬａドープＢＳＴ薄
膜における比抵抗のＬａドープ量依存性をグラフ化した
ものを図７にそれぞれ示す。図５から、Ｌａのドープ量
（含有量）が０即ちＬａを含有しないもののｔｃｈが６
時間であるのと比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）
が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下ではｔｃｈ
が６００時間以上と優れた特性が得られ、特にＬａのド
ープ量（含有量）が０．０２ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ
％以下ではｔｃｈが１０００時間以上と非常に優れた特
性が得られている。
【００３２】図６から、Ｌａのドープ量（含有量）が０
即ちＬａを含有しないものの誘電率が１３０であるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では誘電率が１１０以上と
十分な高誘電率を有する良好な特性が得られている。図
７から、Ｌａのドープ量（含有量）が０即ちＬａを含有
しないものの比抵抗が３．８×１０13Ωｃｍであるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では比抵抗が２．０×１０
14Ωｃｍ以上と優れた特性が得られ、特にＬａのドープ
量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以
下では比抵抗が５．０×１０14Ωｃｍ以上と非常に優れ
た特性が得られている。
即ちＬａを含有しないものの誘電率が１３０であるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では誘電率が１１０以上と
十分な高誘電率を有する良好な特性が得られている。図
７から、Ｌａのドープ量（含有量）が０即ちＬａを含有
しないものの比抵抗が３．８×１０13Ωｃｍであるのと
比較すると、Ｌａのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では比抵抗が２．０×１０
14Ωｃｍ以上と優れた特性が得られ、特にＬａのドープ
量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以
下では比抵抗が５．０×１０14Ωｃｍ以上と非常に優れ
た特性が得られている。
【００３３】以上のことから、ＳＴＯ薄膜については、
Ｌａの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以
下においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著
な効果がみられた。そして、ＢＳＴ薄膜については、Ｌ
ａの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下
においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著な
効果がみられた。また、本発明によれば、酸素空孔が存
在し少なくともチタン及びストロンチウムを構成元素と
する誘電体薄膜に、Ｌａを含有させることにより、誘電
率、比抵抗を劣化させることなく、薄膜中の酸素空孔を
減少させることできるものと考えられ、信頼性に優れた
誘電体薄膜キャパシタ素子を得ることができる。
Ｌａの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以
下においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著
な効果がみられた。そして、ＢＳＴ薄膜については、Ｌ
ａの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下
においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著な
効果がみられた。また、本発明によれば、酸素空孔が存
在し少なくともチタン及びストロンチウムを構成元素と
する誘電体薄膜に、Ｌａを含有させることにより、誘電
率、比抵抗を劣化させることなく、薄膜中の酸素空孔を
減少させることできるものと考えられ、信頼性に優れた
誘電体薄膜キャパシタ素子を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】以上のように、本発明の誘電体薄膜キャ
パシタ素子及び誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法に
よれば、直流電圧印加で１０００時間以上高温動作して
も絶縁性がほとんど劣化しない誘電体薄膜キャパシタ素
子を得ることができるので、信頼性に優れたＩＣ用薄膜
キャパシタを実現することが可能となる。
パシタ素子及び誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法に
よれば、直流電圧印加で１０００時間以上高温動作して
も絶縁性がほとんど劣化しない誘電体薄膜キャパシタ素
子を得ることができるので、信頼性に優れたＩＣ用薄膜
キャパシタを実現することが可能となる。
【図１】本発明による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造
を示す断面概略図である。
を示す断面概略図である。
【図２】ＬａドープＳＴＯ薄膜におけるｔｃｈのＬａド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図３】ＬａドープＳＴＯ薄膜における誘電率のＬａド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図４】ＬａドープＳＴＯ薄膜における比抵抗のＬａド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図５】ＬａドープＢＳＴ薄膜におけるｔｃｈのＬａド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図６】ＬａドープＢＳＴ薄膜における誘電率のＬａド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図７】ＬａドープＢＳＴ薄膜における比抵抗のＬａド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
１ ｎ型シリコン基板 ２ シリコン熱酸化膜 ３ Ｔｉ接着層 ４ Ｐｔ下部電極層 ５ 誘電体薄膜 ６ Ｐｔ上部電極層
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｈ０１Ｌ 27/04 Ｃ 27/04 29/78 ３７１ 21/822 21/8247 29/788 29/792 (72)発明者 大谷 昇 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 矢野 盛規 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内
Claims (7)
- 【請求項１】 基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部電
極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパシ
タにおいて、 前記誘電体薄膜中に酸素空孔が存在し、該誘電体薄膜が
少なくともチタン及びストロンチウムを構成元素としラ
ンタンを含有する酸化物材料から成ることを特徴とする
誘電体薄膜キャパシタ。 - 【請求項２】 前記誘電体薄膜のランタンの含有量が
０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下であることを
特徴とする請求項１に記載の誘電体薄膜キャパシタ。 - 【請求項３】 前記誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏｌ
％以上０．２ｍｏｌ％以下のランタンを含有するチタン
酸ストロンチウムから成ることを特徴とする請求項２に
記載の誘電体薄膜キャパシタ。 - 【請求項４】 前記誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏｌ
％以上０．２ｍｏｌ％以下のランタンを含有するチタン
酸バリウムストロンチウムから成ることを特徴とする請
求項１に記載の誘電体薄膜キャパシタ。 - 【請求項５】 基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部電
極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパシ
タ素子の製造方法において、 少なくともチタン、ストロンチウム、及びランタンを含
有する酸化物材料から成るスパッタターゲットを用いて
スパッタ法により前記誘電体薄膜を形成することを特徴
とする誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法。 - 【請求項６】 前記スパッタターゲットとしてチタン酸
ストロンチウム粉体と酸化ランタン粉体とが混合されて
成り酸化ランタンの混合モル比が０．００５％以上０．
１％以下のスパッタターゲットを用いて、誘電体薄膜と
してランタンを含有するチタン酸ストロンチウム薄膜を
形成することを特徴とする請求項５に記載の誘電体薄膜
キャパシタ素子の製造方法。 - 【請求項７】 前記スパッタターゲットとしてチタン酸
バリウム粉体とチタン酸ストロンチウム粉体と酸化ラン
タン粉体とが混合されて成り酸化ランタンの混合モル比
が０．００５％以上０．１５％以下のスパッタターゲッ
トを用いて、誘電体薄膜としてランタンを含有するチタ
ン酸バリウムストロンチウム薄膜を形成することを特徴
とする請求項５に記載の誘電体薄膜キャパシタ素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8145423A JPH09331035A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8145423A JPH09331035A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09331035A true JPH09331035A (ja) | 1997-12-22 |
Family
ID=15384914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8145423A Pending JPH09331035A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09331035A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007042989A (ja) * | 2005-08-05 | 2007-02-15 | Ibiden Co Ltd | 薄膜エンベディッドキャパシタンス、その製造方法、及びプリント配線板 |
| CN117049597A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 北京航空航天大学宁波创新研究院 | 一种高能量比介质电容器制备方法及介质电容器 |
-
1996
- 1996-06-07 JP JP8145423A patent/JPH09331035A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007042989A (ja) * | 2005-08-05 | 2007-02-15 | Ibiden Co Ltd | 薄膜エンベディッドキャパシタンス、その製造方法、及びプリント配線板 |
| JP4708905B2 (ja) * | 2005-08-05 | 2011-06-22 | イビデン株式会社 | 薄膜エンベディッドキャパシタンス、その製造方法、及びプリント配線板 |
| CN117049597A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 北京航空航天大学宁波创新研究院 | 一种高能量比介质电容器制备方法及介质电容器 |
| CN117049597B (zh) * | 2023-10-11 | 2024-01-09 | 北京航空航天大学宁波创新研究院 | 一种高能量比介质电容器制备方法及介质电容器 |
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